基于信號極化三維平穩(wěn)性的飛行器姿態(tài)估計

黃海行，陳廣東，陳　智

(南京航空航天大學 無人駕駛飛機研究院，江蘇 南京 10016)

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基于信號極化三維平穩(wěn)性的飛行器姿態(tài)估計

黃海行，陳廣東，陳智

(南京航空航天大學 無人駕駛飛機研究院，江蘇 南京 10016)

摘要以電磁波為參照的飛行器姿態(tài)測量研究，可彌補空間參照物缺乏，豐富姿態(tài)測量手段。利用3個正交電(磁)場傳感器接收電磁波三維電(磁)信號，測量運動平臺姿態(tài)。該方法根據(jù)姿態(tài)參數(shù)估計的CRB(克拉美—羅界)是否為有限值，判斷該環(huán)境電磁波信號能否用于運動平臺姿態(tài)測量；根據(jù)基準姿態(tài)與實時姿態(tài)互相關(guān)矩陣變化，估計得到實時天線坐標系到基準天線坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，據(jù)此將實時姿態(tài)坐標系下的運動平臺姿態(tài)，轉(zhuǎn)換到基準姿態(tài)坐標系下，再轉(zhuǎn)換到地理坐標系下，完成運動平臺姿態(tài)感知。電磁波信號可以為獨立或相干信號，波達方向和極化狀態(tài)任意，可不受多徑效應困擾。仿真試驗表明該方法穩(wěn)定有效。

關(guān)鍵詞電磁矢量傳感器；極化狀態(tài)；波達方向；姿態(tài)導航

Aircraft Attitude/Heading Estimation Based on 3D Statistical Characteristics of Polarization Electric (Magnetic) Stable Signal

HUANG Hai-xing,CHEN Guang-dong,CHEN Zhi

(ResearchInstituteofUnmannedAircraft,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,NanjingJiangsu210016,China)

AbstractThe attitude measurement based on electromagnetic wave can make up for the lack of spatial reference,and enrich the method of attitude measurement.In this paper,moving platform attitude is measured from the electromagnetic waves received by the three orthogonal dipole electric (magnetic) antennas.The CRB (Cramer Rao Bound) of the parameters estimation will determine whether the environmental electromagnetic wave signal can be used to measure moving platform Attitude/Heading.The transformation matrix,from the real-time antenna coordinates to the reference antenna coordinates,is obtained by comparing their correlation matrixes.We convert the platform attitude of the real-time antenna coordinates,into the reference antenna coordinates,then into the geographical coordinates.And the platform attitude is percept.The electromagnetic wave signals can be independent or coherent signal,and the attitude/heading estimation is not affected by multipath effect.Simulation experiment shows that the method is stable and effective.

Key wordsEM Vector Sensor;state of polarization;DOA(wave direction of arrival);attitude determination

0引言

人造的和自然界的各種電磁波充斥著地球表面和太空，這些電磁波信息與接收平臺姿態(tài)具有密切關(guān)聯(lián)性，電磁波提供的姿態(tài)基準不受運動平臺姿態(tài)及其運動影響，可以像利用地磁場指南那樣利用電磁波測量運動平臺姿態(tài)。國內(nèi)外都研究在地球衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收端，利用多點接收、三角計算的方法感知姿態(tài)[1-9]，缺點是體積大、精度低、系統(tǒng)復雜和速度慢，影響了該技術(shù)的推廣應用。本文利用3個正交電(磁)場傳感器接收電磁波三維電(磁)信號測量運動平臺姿態(tài)，可以單點測量飛行器姿態(tài),接收信號既可以相互獨立，也可以相干，信號數(shù)任意，波達方向和極化狀態(tài)任意，各信號強弱任意，因此不受多徑效應困擾，既可以利用主動發(fā)射電磁波信號，也可以被動接收空間分布的廣播電磁波信號測量姿態(tài)，提高了系統(tǒng)的隱蔽性,進一步揭示了電磁波測量姿態(tài)的能力。

1信號模型

圖1　極化電磁波橢圓狀旋轉(zhuǎn)電場波結(jié)構(gòu)

電磁矢量傳感器接收單元示意圖如圖2所示。全電磁矢量傳感器包含3個正交電場和3個正交磁場接收單元。

圖2　電磁矢量傳感器接收單元示意

3個正交電場傳感器為3正交偶極子天線，在基準姿態(tài)從第n信號源接收到的信號導向矢量表達為[10]：

式(1)信號導向矢量可進一步表示為：

an=BnDn。

(2)

式中，Bn為波結(jié)構(gòu)坐標系(見圖1) 到平臺天線坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，

Bn= cosφn-sinφn0sinφncosφn0001é?êêêù?úúúcosθn0-sinθn010sinθn0cosθné?êêêù?úúú·

2姿態(tài)測量基本原理

平穩(wěn)的固定信號源的RY為常數(shù)陣。

當運動平臺姿態(tài)變化，天線的接收信號不同于基準姿態(tài)信號，實時姿態(tài)時接收信號為：Y′(t′)=μA′S(t′)+e′(t′)，其中，Y′(t)=[y1′(t′),y2′(t′),y3′(t′)]T，A′=[a1′,…,an′]為3×N矩陣，e′(t′)為隨機噪聲，μ為接收機因姿態(tài)變化形成的信號復衰減因子。3個正交電場傳感器從第n信號源接收到的信號導向矢量表達為：

an′=Bn′ Dn。

其中波結(jié)構(gòu)坐標系到實時天線坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣

Bn'= cosφn'-sinφn'0sinφn'cosφn'0001é?êêêù?úúúcosθn'0-sinθn'010sinθn'0 cosθn'é?êêêù?úúú·

實時姿態(tài)時接收信號互相關(guān)矩陣為：

RY'= EY'(t')Y'H(t')[]=λA'ES(t')SH(t')[]A'H+σ2I=

式中，λ=μμH為衰減因子。

(3)

3參數(shù)估計算法

可得，

式中，符號vec()表示將矩陣各列組合為向量。

接收信號可以為相干信號，不受多徑效應困擾，信號總數(shù)N可以為1到無窮大，波達方向和極化狀態(tài)任意，各信號強弱任意。對接收電磁波環(huán)境的要求是式(3)確定的CRB為有限值；接收極化三維電(磁)信號互相關(guān)矩陣在解除接收姿態(tài)旋轉(zhuǎn)變化影響后保持平穩(wěn)，即運動平臺測量姿態(tài)所處時、空、頻、極化域，信號二次統(tǒng)計特性不變。因此本文既可以主動利用發(fā)射電磁波信號，也可以被動利用空間分布的廣播電磁波信號測量姿態(tài)，提高了系統(tǒng)的隱蔽性。

4姿態(tài)測量具體實施步驟

姿態(tài)測量具體實施步驟如下：

① 確定運動平臺基準姿態(tài)坐標系與大地坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系。

② 在運動平臺基準姿態(tài)以極化敏感的電磁矢量傳感器中的3個正交電(磁)場傳感器接收電磁波信號，估計三維電(磁)信號互相關(guān)矩陣。計算姿態(tài)參數(shù)估計的CRB(克拉美—羅界)是否為有限值,判斷該環(huán)境電磁波信號能否用于運動平臺姿態(tài)測量。

該步驟對電(磁)極化三維特征進行學習評估，在單一接收點以極化敏感的電磁矢量傳感器中的3個正交電(磁)場傳感器在基準姿態(tài)接收電磁波信號，選取時間t中的K個采樣點采樣k=1,2,…,K次，計算估計值為：

③ 在運動平臺實時姿態(tài)以極化敏感的電磁矢量傳感器中的3個正交電(磁)場傳感器接收電磁波信號，計算估計三維電(磁)信號互相關(guān)矩陣。對實時姿態(tài)和基準姿態(tài)互相關(guān)矩陣RY′和RY，進行特征植分解，根據(jù)各自特征值比例是否近似相等，初略判斷該環(huán)境電磁波信號是否平穩(wěn)。

⑤ 用步驟④得到轉(zhuǎn)換矩陣將實時姿態(tài)坐標系下的運動平臺姿態(tài)，轉(zhuǎn)換到基準姿態(tài)坐標系下，再轉(zhuǎn)換到地理坐標系下，完成運動平臺姿態(tài)感知。

在接收機平臺實時姿態(tài)坐標系中，平臺姿態(tài)方向向量為單位陣

根據(jù)電磁信號對稱性，可單獨利用電或磁信息測量運動平臺姿態(tài),也可融合電磁信息提高測量姿態(tài)精度。

5仿真實驗

式中，p=λp0。

代入式(3)得：

式中，ρ=p/σ2，這個結(jié)果與文獻[10]一致。由此式知，η0=±45°的圓極化隨機信號的CRB(φ1)=，不能用于測量姿態(tài)。

圖3　矩陣向量平行法譜對數(shù)隨φ1和φ2變化圖形

圖4　子空間正交法譜對數(shù)隨φ1和φ2變化圖形

圖5　未校正基準互相關(guān)矩陣子空間正交法譜對數(shù)隨φ1和φ2變化圖形

圖6　校正基準互相關(guān)矩陣后子空間正交法譜對數(shù)隨φ1和φ2變化圖形

6結(jié)束語

測控技術(shù)利用電磁波時域信息測距，頻域信息測速,空域信息測方位,極化域信息卻沒有得到深入研究和利用,本文正是在這一領(lǐng)域展開探索,只需運動平臺上有單一接收點，就可實現(xiàn)姿態(tài)/航向感知，系統(tǒng)可微型化，信號不受多徑效應困擾，既可以利用主動發(fā)射電磁波信號，也可以被動接收空間分布的廣播電磁波信號測量姿態(tài)，提高了系統(tǒng)的隱蔽性。適用于空或天飛行器。

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黃海行男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：測控信號處理。

陳廣東男，(1968—),博士，研究生導師，副研究員。主要研究方向：測控、雷達成像。

作者簡介

中圖分類號TN911

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0030-05

收稿日期：2016-01-07

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.08

引用格式：黃海行,陳廣東,陳智.基于信號極化三維平穩(wěn)性的飛行器姿態(tài)估計[J].無線電工程,2016,46(4):30-34，51.